完整版小区远程抄表系统的设计毕业设计.docx
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完整版小区远程抄表系统的设计毕业设计
学士学位论文
小区远程抄表系统的设计
作者姓名:
吴煜昊
学科、专业:
电子信息工程
指导教师:
蔡睿妍
完成日期:
2014.5.30
大连大学
DalianUniversity
小区远程抄表系统的设计
总计:
毕业论文54页
表格3表
插图16幅
指导教师:
蔡睿妍
评阅人:
完成日期:
2014.5.30
摘要
这篇文章是针对住宅小区所用的水表、电表及煤气表所作的抄表系统设计。
此系统设计综合地运用通信技术、传感器技术和单片机技术,实现了对水、电、煤气的数据采集、处理、存储、传输等任务,这样一来就使得小区中每户居民的水表、电表和煤气表信息能够准确传递到本小区所在物业的中央控制室中。
为了能更加精确地对水、电和煤气等数据进行远程采集,此次设计完成了以AT89C51单片机为控制核心,并且详细分析了数据的采集方案以及单片机和上位机的通信系统的硬件设计和软件设计。
本文详细介绍了小区远程抄表的工作原理,硬件部分设计以及软件部分设计。
硬件部分包括:
信号采集以及工作原理、液晶显示、键盘控制和数据的存储等。
本系统采用单片机对水、电、煤气等信号的采集、分析、控制、处理、驱动显示进行控制,能够达到远程抄表对水量、电量、煤气量具有较好的动态测量性能,测量结果准确可靠,硬件电路结构较之传统的系统相对简单。
通过使用单片机软件编程减少硬件电路设计的复杂性,系统具有较强的数据处理能力以及较好的稳定性和精确性。
正因为这个系统设计的有结构简单和成本较低等优点,所以它有很广阔的市场推广价值。
关键字:
单片机;远程抄表;AT89C51
ABSTRACT
Inviewofthetheresidentialquartersofthewatermeter,electricitymeterandgasmeter,thisarticlewasusedinthedesignofmeterreadingsystem.Thissystemwasdesignedtoutilizeintegratedcommunicationtechnology,sensortechnologyandmicroprocessortechnology.Itrealizedwithwater,electricity,gas,taskssuchasdataacquisition,processing,storage,transmission,thusmadeeverythevillage’sinformationaccuratelydelivertothevillage'spropertyinthecentralcontrolroom.Inordertoachievethewatermeter,gasmeterdatatoremoteCollecting,thisdesigncompletedtheAT89C51ascontrolcore,andadetailedanalysisofthedataacquisitionschemeandmicrocontrollerandPCcommunicationsystemandsoftwaredesign.
Thispaperdescribedtheworkingprincipleoftheresidentialremotemeterreading,theandthesoftwarepartofthedesign.Hardwarecomponentsinclude:
signalacquisitionandworkingprinciple,LCD,keyboardcontrolanddatastorage.Thesystemusedamicrocontrollerforwater,electricity,gasandothersignalacquisition,analysis,control,processing,displaydrivercontrol.Itcouldachieveremotemeterreadingforwater,electricity,gasvolumemeasurement,which,thesystem;
③当前一分钟平均功率的显示;
④5V80ms有源或无源光电隔离电能脉冲输出;
⑤停电时间累计;
⑥具有红外遥控编程、RS485通信接口;
⑦可用12V外接电源掌上电脑红外抄表;
⑧可设固定显示和循环显示方式;
⑨可记录3个月(本月、上月、上上月)的有功总电能、各费率电能、最大需量及需量发生的时间等信息;
⑩遥控器可全面显示所有功能项,并可方便编程。
3.2.2水表、煤气表
水表、煤气表工作原理
利用的是机械传动的原理来记录数据是普通的水表和煤气表的依据,它们都是靠齿轮间的啮合关系来完成。
本系统将普通的水表和煤气表进行改进,在其上安装传感器,这样一来,就可以将普通仪表的机械运动转换为电信号,从而可以直接与单片机进行连接。
传感器实质上是一种基于磁电转换技术,依靠传感器技术可把普通的机械运动的结果转变为电信号,它是光电转换技术的脉冲电路单元。
目前,传感器技术有很多种。
其中,由于体积小,转换方便,成本低,重量轻等优点,干簧管传感器在智能仪表的开发领域占有一席之地。
本系统设计选用的是WB2014型号的干簧管传感器,干簧管传感器技术利用的是电磁转换原理来工作的,如图3.5所示。
干簧管参数由表3.1所示。
图3.5传感器结构图
表3.1干簧管参数表
触点负载
5W
最大开关电压
最大开关电流
接触电阻(初始值)
动作时间
释放时间
耐高压
触点电容
绝缘电阻
谐振频率
工作温度范围
最高湿度
最高工作频率
电气寿命
100VDCVAC
0.5A
100mOhms
1.0mSec.(Max.)
0.4mSec.(Max.)
220VDC(AT<25)250VDC(AT>25)
0.7pF
1010Ohms
4kHz
-60℃~+155℃
98%(Max.)
100Hz
108(5V,10mA)105(24V,400mA)
在机械表的指针上安装磁钢,磁钢是一种永磁铁,具有很强的磁力,当煤气表或机械水表的指针因受到冲击而产生旋转后,附着在上面的磁钢也会跟着旋转,当磁钢旋转到干簧管两簧片对应位置时,簧片由于受到磁钢的磁力作用而吸合,由其转换电路产生一个输出脉冲[11],指针每转一圈,磁钢便会跟着旋转,同时干簧管也吸合一次,于是就把指针旋转一圈所代表的煤气量和水量让干簧管的一次吸合取代。
本设计需要进行电信号与开关量之间的转换,那是由于干簧管的断开和吸合是一个开关量,而采集系统识别的是电信号。
那么,设计传感器电路应用电阻的分压作用在输出端就会产生对应电压,从而完成电信号和开关量之间的转换。
经过上述分析可以知道由传感器电路就产生所需采集器记录的脉冲信号,并且输出的脉冲数和通过水表的水量、煤气表的煤气量成正比。
3.3显示模块
数据显示是远程抄表的一项重要功能,是人机交换的主要组成部分,它可以将采集到的数据经过单片机处理后直观的显示出来。
本设计数据显示部分采用LCD液晶屏显示。
液晶显示器在低功耗应用系统和袖珍式仪表中得到很普遍的应用正是因为它显示内容丰富、微功耗、体积小、超薄轻巧等许多优点。
随着科技的发展,液晶显示模块的应用前景必将更加广阔。
3.3.1功能概述
本次设计中采用12864字符型LCD。
LCD12864是一种具有4位8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集。
它可以显示8×4行16×16点阵的汉字,在本次设计中主要用其直观显示出某用户家里所使用水表、电表和煤气表的读数。
3.3.2引脚功能简介
LCD12864通常有20条引脚线,其中的2条线是背光电源线。
其引脚功能如表3.2所示。
表3.2LCD12864引脚功能
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
3.0+5V
电源正
3
V0
-
对比度(亮度)调整
4
RS(CS)
HL
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据
5
RW(SID)
HL
RW=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
RW=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E(SCLK)
HL
使能信号
7
DB0
HL
三态数据线
8
DB1
HL
三态数据线
9
DB2
HL
三态数据线
10
DB3
HL
三态数据线
11
DB4
HL
三态数据线
12
DB5
HL
三态数据线
13
DB6
HL
三态数据线
14
DB7
HL
三态数据线
15
PSB
HL
H:
8位或4位并口方式,L:
串口方式
16
NC
-
空脚
17
RESET
HL
复位端,低电平有效
18
VOUT
-
LCD驱动电压输出端
19
A
VDD
背光源正端(+5V)
20
K
VSS
背光源负端
3.3.3显示模块引脚连接
显示模块引脚连接如图3.6所示。
图3.6显示模块引脚连接图
3.4键盘模块
根据设计需要,本系统设定键盘按键与主控机进行信息交换。
由于远程抄表系统涉及小区的每个用户的电表、水表、煤气表数据的采集,所以如果每家每户都采用键盘控制的话,按键数量相对较多。
但考虑本次设计的实际因素,本系统设定将4个键盘按键,只模拟采集3个用户的电表、水表和煤气表的数据信息。
这4个按键分别为:
清零按键、显示1号用户的数据按键、显示2号用户的数据按键、显示3号用户的数据按键。
键盘模块的电路图如图3.7所示:
图3.7键盘模块的电路图
由于目前使用的开关都是机械弹性开关,开关触点的合、断操作就对应一个电压信号,但是通常因为机械开关触点的弹性作用,当键盘闭合时,不会马上很稳定地接通,而按键断开时,也不会马上断开,这样就出现了“抖动”现象(时间一般为5~10ms)。
所以,在设计键盘模块时,怎样消除抖动时设计中必须考虑的问题。
针对抖动这个问题可从硬件、软件两方面予以考虑。
硬件去抖通常采用基本RS触发器来实现。
软件去抖即,在检测到有按键按下时,执行一个10ms以上(延时子程序的延时时间应大于按键的抖动时间)的延时子程序后,再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平,若仍保持闭合状态电平,则确认该键处于闭合状态[12];同理,在检测到该键释放后,也应采用相同的步骤进行确认,从而可消除抖动的影响。
由于软件去抖可以节省硬件,处理灵活,所以本系统设计采用软件去抖。
键盘处理程序的任务主要是:
确定是否有键被按下;如果有,判断是哪个键;依据键的功能,转相应的处理程序;形成键编码。
3.5存储模块
在单片机实现的家用电器、仪器仪表、工业控制等诸多系统中,不仅要求能够在线修改某些状态参数,而且断电后能保持该参数,这样在上电后就可方便恢复系统状态。
本设计为了确保系统断电后数据不丢失,选用I2C总线进行E2PROM串行扩展,I2C总线只需要两根线,即串行时钟线SCL和串行数据线SDA,便可以实现器件之间的全双工数据传送。
它还采用器件地址的硬件设置方法,这样就避免了通过软件寻址器件片选线的方法。
由于E2PROMAT24CXX有单电源供电,工作电压范围宽等特点,符合本次设计的要求,所以本系统存储芯片选用24C02芯片。
3.5.1管脚
管脚图如图3.8所示。
管脚描述如表3.3所示。
图3.824C02芯片管脚图
表3.324C02芯片管脚功能
管脚名称
功能
A0、A1、A2
器件地址选择
SDA
串行数据地址
SCL
串行时钟
WP
写保护
Vcc
+1.8V-6.0V工作电压
Vss
地
3.5.2存储模块电路
存储模块电路如图3.9所示。
图3.9存储模块电路图
3.6通信模块
并行通信和串行通信是计算机CPU与外部进行交换信息的两种方式。
将所有的数据同时传递就是并行通信,它的优点就是效率高,传送速度快,可要传送多少位数据就需多少根传输线,所以成本非常高。
并行传递的距离通常小于30m。
并行的数据传送应用在集成电路芯片的内部、同一机箱内各个插件板之间、同一插件板上各个部件之间等。
串行通信是数据按顺序传输,所以它的特点是只需一对传输线即可,速度慢、成本低、效率低,可是传输距离可以从几米甚至到几千公里。
在计算机测控系统中,由于测控对象与控制中心之间距离一般较远,因此,一般都采用串行方式[13],根据对数据流的分界,定时及同步的方法不同,串行通信又可分为同步串行方式和异步串行通信方式。
异步串行方式即一个字符一个字符地传送,是以字符为信息单位传送的,一帧信息只包含一个字符,所以每次传送的信息量少,而同步串行通信是以数据块为信息单位传送,每帧信息包含成百上千字符,每次传送的位信息量大[14],所以异步串行通信通常用于数据传输率要求不是很高和传送数据量较少的场合。
在设计通讯接口时,为了保证通讯的通讯速度,可靠性,抗干扰能力和通讯距离等问题,要根据需要选择使用哪个标准接口,同时考虑传输介质,通讯控制芯片和电平转换等问题。
在计算机测控系统中,数据通讯主要采用异步串行通讯方式。
每个串行标准接口有着各自的特点,具体的选择原则是:
通讯信道的抗干扰能力;通讯速度和通讯距离;可靠性。
3.6.1RS-232接口标准
RS-232最初是为远程通信直接数据终端设备DTE与数据通信设DCE而制定的,它是串行通讯中目前应用最广泛的标准总线,该标准适用于DCE和ETE之间点对点的串行二进制通信,通信速率为4800,9600,192006bps等,最高通信速率为19.2kbps[15],在通信速率不高于20kbps时、RS-232所能连接的最远距离为15m,驱动器的负载电容应小于2500pf[15],为保证设备控制准确的完成、二进制数据能够正确传送,有必要使所用的信号电平保持一致,为此RS-232规定+3—+15V之间的任意数据表示逻辑“0”电平,-3—-150之间的任意电压表示逻辑“1”电平。
3.6.2RS-485接口标准
RS-485接口标准与RS-422标准一样,也是一种平衡传输方式的串行接口标准,它在RS-422A的基础上进行了扩展。
RS-485标准允许在电路中有多个发送器,允许一个发送器驱动多个负载设备,负载设备可以是驱动发送器,接收器或收发器组合单元[16],RS-485标准的共线电路结构在一对平衡传输线的两端配置终端电阻,其发送器,接收器或组合收发器可挂接在平衡传输线上的任何位置,实现在数据传输中多个驱动器和接收器共享同一传输线的多点应用。
RS-485标准的特点有[17]:
①由于RS-485标准采用差动发送接收方式,所以共模抑制比高,抗干扰能力强。
②传输率速高。
它允许的最大传输速率可达10Mbps。
③检测精度高。
可检测到低于200mv的电压。
④传输距离远。
采用双绞线,当传输速率为100kbps时,可传送到1.2km。
若传输速率下降,应可以提高传输距离。
⑤实现多层对多点的通信。
RS-485可以联网构成分布系统最多可以另行挂接32个驱动器和32个接收器,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。
不仅可以实现半双工通信,而且可以实现全双工通信。
RS-485相比于RS-232低成本、驱动器和接收器价格便宜,并且只需要单一的一个+5V(或者更低)的电源来产生差动输出需要的1.5V的压差。
与之相对应,RS-232的最小±5V输出需要双电源或者一个价格昂贵的接口芯片。
充分考虑到通讯方式主要的选择原则,如系统通信距离,抗干扰能力和通信速率等,此设计选择具有平衡方式传输特性的RS-485串行接口方式,
MAX485是MAXIM公司生产的用于RS-485通信的低功率芯片,采用半双工的工作模式,芯片内包括一个驱动器和一个接收器,MAX485芯片有8各管脚组成,如图3.10所示。
图3.10MAX485引脚图
A为RS-485总线接口,DI是发送端,RO为接收端,分别与单片机串行口的TXD、RXD连接,RE、DE为收发使能端,RS485芯片最多可挂接64台驱动器和接收器,最大传输速率10Mbps,当传输速率为100bps时,最大传输距离1200米。
本系统设计要使AT89C51和上位PC实现通信,其工作原理为:
单片机先和max485芯片连接,实现电平转换,经过RS485串口再连接一个max485芯片,再次将电平转换为TTL电平,此时,必须再连接一个max232芯片才能与PC机进行连接。
经过以上描述,此系统的通信模块的连接图如图3.11所示。
图3.11通信模块连接图
4.远程抄表系统软件设计
4.1主程序设计
在程序设计中,为了确保系统的可靠性和实时性,提高数据采集器程序的执行速度和精度,节约系统资源,采用C语言编写,主要是系统控制部分,采用模块化结构,由各个子程序完成,在程序设计上充分考虑系统各功能模块之间的协调,监控程序用于控制系统的工作状态,系统软件部分控制系统流程图如图4.1所示。
图4.1系统主流程图
软件部分具体编程主要包括:
系统主程序、显示子程序、键盘子程序、通信子程序。
系统主程序负责先完成初始化,再直接或通过中断的方式调用子程序,实现系统整体功能。
显示子程序负责将采集到的数据显示在LCD液晶显示屏上,可以显示每个用户所消耗的水量、电量和煤气量。
键盘子程序负责扫描键盘按键,通过不同按键实现不同显示功能。
通信子程序负责实现51单片机和上位机之间的信息交流。
AT89c51单片机主程序:
voidmain()
{
uchari;
CH=0XFF;关闭所有通道
InitLCD();
Display_PIC(&tab_start[0]);开机画面
delay();延时5s
ClearScreen(0);
CH=0X01;打开通道1
InitTimer();初始化定时器
while
(1)
{
for(i=1;i<=3;i++)
{
disp_power(i);
}
}
}
4.2显示子程序设计
显示子程序主要是实现用LCD液晶显示出所采集用户的水量、电量和煤气量等相关信息。
主程序一开始运行则设置堆栈起始地址为00H,设置寄存器,首先系统进入主函数进行初始化,使其各个指令、数据寄存器的值进行清空,屏幕不显示任何字符。
该设计包括先在LCD16824上显示“欢迎使用”,然后根据按键的控制决定显示哪个用户的信息,调用对应的中断。
设计显示子程序的流程图如下图4.2所示:
图4.2显示子程序流程图
显示模块主要代码如下:
*******************************
写命令
*******************************
voidWrite_COM(ucharcom)
{
CheckBusy();状态检查,LCD是否忙
RS=0;向LCD发送命令。
RS=0写指令,RS=1写数据
RW=0;RW="L",E="H→L"数据被写到IR或DR
_nop_();
DATA=com;com:
命令
delayms();
EN=1;EN下降源
_nop_();
EN=0;
delayms();
}
*******************************
写显示数据
*******************************
voidWrite_DAT(uchardat)
{
CheckBusy();状态检查,LCD是否忙
RS=1;RS=0写指令,RS=1写数据
RW=0;RW="L",E="H→L"数据被写到IR或DR
_nop_();
DATA=dat;dat:
显示数据
delayms();
EN=1;EN下降源
_nop_();
EN=0;
delayms();
}
4.3键盘子程序设计
键盘电路设计成矩阵式按键,通过按键控制显示用户的用水量、用电量或用煤气量。
程序设计中先判断按键编码,然后依据每个编码把键盘所代表的数值送入相应的存储单元,然后可实现功能选择或数据处理。
键盘扫描子程序流程图如图4.3所示。
图4.3键盘子程序流程图
4.4通信子程序设计
下位主控机和上位机之间采用RS-485总线进行数据传输,RS-485总线只定义了物理层的电气标准,对上层通信协议没有具有的规定。
在单片机与PC机进行通信之前先约定好波特率并写入控制字,选中发送缓冲区和接收缓冲区,以便之后进行发送和接收。
通信子程序流程图如图4.4所示。
图4.4通信子程序流程图
结论
随着集成电路和计算机技术的迅速发展,人们对家庭环境的要求越来越来高。
人们生活的便捷、安全和舒适都由于科技的发展和自动化等技术变得更美好。
随着传统的仪器逐渐被现代电子仪器所替代,电子仪器的整体水平也发生巨大变化并逐步提高。
远程抄表的核心部件是单片机,因其极高的性价比得到广泛的应用与发展,从而加快了远程抄表的发展。
本文实现了自动远程抄表,给小区用户和小区管理者都带来了很多的方便。
从小区用户方面来说,无需定时抄出自家的用量读数,避免了因看错或写错读数而造成的不便,也省去了等候抄表员上门的麻烦。
从小区管理者来说,效率大幅提高。
抄表员不需要挨家挨户地抄表,抄表人员也不必手工将这些用户的用水量、用电量和用煤气量读数输入电脑,一切都可由读数采集程序自动完成,减少了由于人为因素所造成的纰漏。
本设计通过对用户所用水、电和煤气量的采集并将数据传入单片机进行存储和显示,能够达到课题所要求的最初目的。
测量结果准确可靠,硬件电路结构相对简单。
通过使用C语言编程减少硬件电路设计的复杂性,系统具有较强的数据处理能力以及较好的精度和稳定性。
当然,本课题设计因为时间关系存在着不足和需要改进的地方。
例如:
由于时间有限,在上位机设计方面只是初步构思用VB来编程实现显示界面,还没有进行落实。
在下位主控机里可以按照需要再加入其它模块得到进一步完善和扩展,并且系统的整体性能有待提高等等。
参考文献
[1]刘志忠,孙丽芳,董庆.住宅小区远程抄表系统的实现[J].电脑开发与应用,2002(15),4:
1-6.
[2]陈新光,陆以勤,吕锦.基于Zigbee协议的OSGi无线家庭网关设计[J].微计算机信息,[3][6]吴国经.单片机应用技术[M].北京.中国电力出版社,2004:
25-26.
[7]张毅刚,彭溪元,董继成.单片机原理及应用[M].北京.第一版,高等教育出版,2004:
5-6.
[8]崔海良.51系列单片机多机系统的低功耗设计[
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